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- 환경 DNA(eDNA)는 도시 전체에 대한 정보를 제공한다.
- 환경 DNA가 도시 생태계의 상태를 파악하는 데 있어 간단하고 비용 효율적인 도구

뉴욕 이스트강에서 채취한 환경 DNA(eDNA), 생물 센서로 활용

도심 수로는 수생 생물과 도시 생태계에 대해 놀라울 정도로 많은 정보를 제공할 수 있다. 이는 뉴욕 이스트강에서 1년간 채취한 환경 DNA 샘플을 분석한 연구 결과다. 당초 연구의 목적은 환경 보호 노력에 따른 어류 개체 수 추이를 파악하는 것이었다. 그러나 연구진은 물속 DNA 흔적이 어류 개체 수뿐만 아니라 도시 동물 개체군, 심지어는 식성까지 파악할 수 있는 훨씬 더 광범위한 정보를 제공한다는 사실을 발견했다. 연구에 따르면, 수질 샘플은 생물 모니터링을 위한 비용 효율적이고 효과적인 방법이다. 

▲ 뉴욕시의 이스트 강에서 채취한 물 샘플은 강과 그 주변 환경에 서식하는 생물에 대한 정보를 제공한다.

뉴욕시의 길고 좁은 수로인 이스트강은 오랫동안 심각한 오염에 시달려 왔다. 오늘날까지도 도시의 하수가 이 강 하구로 방류되고 있다. 하지만 환경 보호 노력 덕분에 이 도시 수로의 어류 개체 수가 회복되고 있다. 이러한 회복세를 모니터링하기 위해서는 정기적인 어류 개체 수 조사가 필수적이지만, 강한 물살과 암반으로 이루어진 강바닥 때문에 덫이나 트롤 어업과 같은 전통적인 방법은 사용하기 어렵다.

물 샘플에서 물고기 추적하기

뉴욕 록펠러 대학교의 환경 과학자 마크 스토클(Mark Stoeckle)과 제시 아우수벨(Jesse Ausubel)은 이스트 강에 서식하는 물고기에 대한 정보를 수집하는 간단하고 신뢰할 수 있는 방법을 찾던 중, 물고기의 배설물(배설물, 점액, 피부 세포, 사체)을 분석하는 아이디어를 떠올렸다. 이 배설물은 물속으로 DNA 가닥을 방출하며, 실험실에서 이를 검출할 수 있다. 2024년 5월부터 2025년 5월까지, 그들은 이스트 강변에서 매주 1리터의 물을 채취해 여과한 후, 잔류물에서 DNA를 분석했다.

▲ 강물 샘플에서 발견된 농장 동물의 DNA 흔적은 도시 인구의 식단에서 이러한 동물이 차지하는 비율과 잘 일치한다. © Mark Stoeckle / Jesse Ausubel

그 결과, 이른바 환경 DNA(eDNA)는 이스트 강에 서식하는 어종을 밝혀냈을 뿐만 아니라, 각 DNA 흔적의 비율이 트롤 어업 조사에서 추정한 개체 수와 매우 유사하다는 것을 보여주었다. 스토클은 "우리는 원시 DNA 염기서열 데이터를 신뢰할 수 있는 개체 수 추정치로 변환할 수 있다"고 말했다. 긍정적인 추세가 나타났다. 연구진은 총 71종의 지역 해양 어류를 확인했는데, 그중 두 종은 이전 연구와 비교했을 때 처음으로 상당한 개체 수가 발견됐다.

계절적 변동 또한 뚜렷하게 나타났다. 일부 종은 여름에만 이스트강에 서식하기 때문에, 이 시기에 어류 DNA 농도가 10배나 증가했다. 따라서 eDNA는 생물 역학을 신뢰할 수 있고 정확하게 반영하며, 트롤 조사에 간단하게 보완적인 역할을 할 수 있다.

도시 전체에 대한 정보

하지만 수질 샘플에서 얻은 통찰력은 단순히 어류 개체 수를 기록하는 것 이상이다. 스토클러와 아우수벨은 쥐, 비둘기, 비버, 너구리와 같은 야생 동물은 물론 개와 고양이와 같은 가축, 닭, 소, 돼지와 같은 농장 동물 등 60종의 육상 척추동물의 DNA 흔적도 발견했다. 각각의 DNA 농도는 수질 샘플에서 발견된 인간 DNA 농도와 강한 상관관계를 보였다. 연구진에 따르면, 이러한 패턴은 공통된 원인을 시사하는데, 바로 도시 하수다. 하수 시스템이 과부하되면 여과되지 않은 하수가 이스트강으로 방류된다.

▲ 왼쪽 위, 뉴욕시 이스트 강(롱아일랜드 사운드와 뉴욕 항구 사이의 조수 해협)의 채집 장소. 별표는 채집 지점(위도 40.76, 경도 -73.96)을 나타낸다. 오른쪽, 허드슨 강 하류 하구 및 주변 지역 지도. 왼쪽 아래, 채집 및 분석 전략. 이 지도는 미국 지질조사국(USGS) 공개 도메인 템플릿(https://apps.nationalmap.gov/viewer/)을 사용하여 포토샵으로 제작되었다. 사진 제공: Mark Stoeckle. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0332676.g001

"폭우가 내린 후에는 도시를 움직이는 거의 모든 생명체의 DNA가 이스트강으로 흘러들어간다"고 아우수벨은 말했다. "유전학적으로 볼 때, 폭우는 강을 마치 새해 전야의 타임스퀘어처럼 혼잡하고 시끄럽고 온갖 신호로 가득 찬 곳으로 변모시킨다." 이러한 신호들은 놀라운 통찰력을 제공했다. "우리는 이스트강에서 발견된 동물 DNA의 양이 전국적인 판매량 데이터와 밀접한 상관관계를 보인다는 것을 발견했다"며 "따라서 우리는 도시 하천의 DNA가 지역 도시 거주자들의 식습관에 대한 상당히 정확한 정보를 제공할 수 있다고 생각한다"고 아우수벨은 보고했다. 예를 들어, 수질 샘플에서 가장 흔하게 발견된 농장 동물 DNA는 닭이었는데, 닭은 뉴욕에서 가장 많이 소비되는 동물이기도 하다.

비용 효율적인 모니터링

스토클은 "환경 DNA는 물속에 어떤 생물이 사는지 알려줄 뿐만 아니라, 도시를 포함한 주변 생태계 전체에 대한 통찰력도 제공한다"고 말했다. 연구진은 환경 DNA가 도시 생태계의 상태를 파악하는 데 있어 간단하고 비용 효율적인 도구가 될 수 있다고 생각한다. "저희 연구가 정부 기관이나 시민 사회 단체들이 주변 수역의 환경 DNA를 조사하도록 영감을 주기를 바란다. 많은 것을 알 수 있고, 비용도 많이 들지 않는다." 이번 연구를 위해 매주 채취한 물 샘플을 분석하는 데 12개월 동안 총 1만 5천 달러밖에 들지 않았는데, 이는 다른 많은 모니터링 방법보다 훨씬 적은 비용입니다. 스토클 교수는 "이러한 접근 방식은 환경 모니터링을 혈액 검사처럼 간단하고 일상적인 것으로 만들 수 있을 것이다"고 말했다.

출처: Mark Stoeckle and Jesse Ausubel (Rockefeller University, New York, USA) et al., PLoS One, doi: 10.1371/journal.pone.0332676

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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